DE102018106305B4

DE102018106305B4 - Wechselstromladung einer intelligenten Batterie

Info

Publication number: DE102018106305B4
Application number: DE102018106305.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Götz; Malte Jaensch; Jan Kacetl; Tomas Kacetl
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2020-06-25
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: US11660975B2; DE102018106305A1; US20190288547A1; CN110289669B; CN110289669A

Abstract

Verfahren zu einer Wechselstromladung (AC-Ladung) eines mit einer Ladesäule (230, 610) verbundenen intelligenten Batteriepacks (240, 640) mit mindestens zwei Batteriemodulen, die jeweilig mindestens einen Energiespeicher und mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter, welche das jeweilige Batteriemodul seriell oder parallel zu einem anderen Batteriemodul verschalten, umfassen, bei dem der Batteriepack (240, 640) über eine Ladeschaltung (200), die ein Filter (210, 410, 420, 430, 620) und einen Gleichrichter (220, 310, 320, 330, 630) umfasst, zur Aufladung mit von der Ladesäule (230, 610) bereitgestellten Wechselstrom (612) geschaltet wird und ein Zustand (644) jedes einzelnen Energiespeichers überwacht wird, wobei gemäß einer fortgeführten Auswertung der Zustände (644) der jeweiligen Energiespeicher durch eine dynamische Ansteuerung (646) der Leistungshalbleiterschalter eine Klemmenspannung des Batteriepacks an eine vom Gleichrichter (220, 310, 320, 330, 630) bereitgestellte Spannung angepasst wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zu einer Aufladung eines intelligenten Batteriepacks mit Wechselstrom, wobei das Batteriepack eine Mehrzahl von Batteriemodulen, die jeweilig mit mindestens zwei Leistungshalbleiterschaltern und mindestens einem Energiespeicher ausgestattet sind, umfasst.
Derzeitig in Elektrofahrzeugen üblicherweise verbaute Batterien oder Batteriepacks sind fest verdrahtete Einheiten, bspw. fest miteinander verdrahtete einzelne Energiezellen, deren durch die Verdrahtung vorgegebene seriell-parallel-Konfiguration nicht geändert werden kann. Dies bedeutet, dass die gleiche Spannung, die bei einer Entladung z.B. in einem Leistungswechselrichter zum Einsatz kommt, auch zu einer Aufladung verwendet wird. Die feste Verdrahtung bestimmt eine Maximalspannung der Batterie bei einem vollen Ladezustand und ohne Alterungserscheinungen. Sinkt der Ladezustand, kann die Spannung der fest verdrahteten Batterie um bis zu 50% abnehmen.
Standardmäßig ist eine Batterie nicht mit weiteren Steuerkomponenten für eine Gleichstromladung ausgestattet. Eine Ladebuchse ist direkt mit Anschlusspunkten der Batterie bzw. des Batteriepacks ohne jegliche galvanische Isolation verbunden, wobei eine Ladeleistung von einer Ladekontrolle bestimmt wird. Ein konventionelles Batteriepack kann also nur durch eine gesteuerte Gleichstromladungsquelle mit einer vorgegebenen Spannungshöhe geladen werden, wobei 400 V und 800 V typische Spannungshöhen sind. Falls eine Nennspannung des Batteriepacks höher ist als die maximal einzustellende Ladespannung einer Ladesäule, kann das Batteriepack nicht geladen werden.
Demgegenüber wird in der Druckschrift WO 2012/025256 A1 ein Antriebssystem für ein batteriebetriebenes Fahrzeug aufgezeigt, dessen Netzanschlussschaltung dem Fahrzeug ermöglicht, an unterschiedlichen Netzspannungen angeschlossen zu werden. Die Batteriespannung kann dabei unterhalb oder oberhalb einer gleichgerichteten Netzspannung liegen. Auch kann dem Netzanschluss sowohl Leistung von der Batterie des Fahrzeugs entnommen wie eingespeist werden. Die Netzanschlussschaltung weist hierzu mehrere Drosseln und Zwischenschaltkreise auf.
Gegenüber den konventionellen Umsetzungen eines Batteriepacks sind auch Modifikationen der festen Verdrahtung der Energiezellen bekannt. So offenbart die Druckschrift WO 2016/174117 A1 eine Batterie für ein Elektrofahrzeug mit zumindest zwei Batteriemodulen, die jeweilig mindestens eine Batteriezelle und zwei elektrische Schalter umfassen, wobei durch die elektrischen Schalter ein dynamischer Wechsel der Verschaltung der Batteriemodule ermöglicht wird. Ein zusätzlich vorhandener Gleichrichter kann eine Ausgangsspannung mit verringerter Spannungs- oder Stromwelligkeit erzeugen.
In der österreichischen Druckschrift AT 508 279 A1 werden ein Verfahren und eine Anordnung zum Aufladen von in Serie geschalteten Batterien beschrieben. Mit Hilfe von gesonderten Lademitteln werden die Batterien einzeln oder in Untergruppen parallel aufgeladen.
Die Druckschrift DE 10 2010 052 934 A1 offenbart eine neue Multilevelkonvertertopologie mit der Möglichkeit zur dynamischen Seriell- und Parallelschaltung von Einzelmodulen. Jedes Einzelmodul weist mindestens vier interne Schaltelemente, ein Energiespeicherelement und vier Anschlüsse auf und kann durch eine jeweilige Schaltstellung der internen Schaltelemente das Energiespeichelement seriell oder parallel mit den Energiespeicherelementen benachbart verbundener Einzelmodule verschalten.
Die Druckschrift DE 10 2014 204 260 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zum Steuern eines Elektrofahrzeugs während des Aufladens. Die Steuerung ist zum Aufladen der Traktionsbatterie auf einen angezielten Ladezustand, Konditionieren der Traktionsbatterie auf eine angezielte Batterietemperatur und Konditionieren der Fahrzeugkabine auf eine angezielte Kabinentemperatur ausgelegt.
Um ein konventionelles Batteriepack mit Wechselstrom zu laden, ist eine Umwandlung der durch den Wechselstrom bereitgestellten Leistung notwendig. Ein an dem Batteriepack befindliches Bauteil, als Lader oder OBC (on-board charger) bezeichnet, setzt den Wechselstrom-Input mittels einer Diode oder eines aktiven Gleichrichters in einen Gleichstrom um. Dem Lader kann ein Schaltkreis zu einer Leistungsfaktorkorrektur, als PFC (power factor correction) abgekürzt, folgen, der einen Leistungsfaktor von Eins gewährleistet. Um eine galvanische Trennung zu bewirken, ist der OBC standardmäßig mit einem LLC-Resonanzwandler, d.h. einem durch eine Transformatormagnetisierungsinduktivität, eine Transformatorstreuinduktivität und eine Kondensatorkapazität bestimmter Resonanzwandler, ausgestattet. Eine Größe eines magnetischen Schwingkreises wird durch eine Hochfrequenz eines Resonanzkreises minimiert. Der OBC kann mit verschiedenen Filtern ausgestattet sein, die sich entweder auf der Wechselstromseite oder der Gleichstromseite befinden. Allerdings erhöht die Notwendigkeit, zusammen mit einer konventionellen Batterie einen OBC zu verbauen, Komplexität und Kosten des Gesamtsystems. Außerdem stellt der OBC ein sperriges und das Fahrzeuggewicht erhöhendes elektronisches Bauteil dar.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu einer Wechselstromladung eines Batteriepacks bereitzustellen, bei dem eine Ladeschaltung gegenüber dem Stand der Technik wesentlich einfacher und damit leichter, raumsparender und kostengünstiger gestaltet werden kann. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes System zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zu einer Wechselstromladung (AC-Ladung) eines mit einer Ladesäule verbundenen intelligenten Batteriepacks mit mindestens zwei Batteriemodulen vorgeschlagen, bei dem ein jeweiliges Batteriemodul mindestens einen Energiespeicher und mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter, welche das jeweilige Batteriemodul seriell oder parallel zu einem anderen Batteriemodul verschalten, umfasst, und bei dem der Batteriepack über eine Ladeschaltung, die ein Filter und einen Gleichrichter umfasst, zur Aufladung mit von der Ladesäule bereitgestelltem Wechselstrom geschaltet wird und ein Zustand jedes einzelnen Energiespeichers überwacht wird, wobei gemäß einer fortgeführten Auswertung der Zustände der jeweiligen Energiespeicher durch eine dynamische Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter eine Klemmenspannung des Batteriepacks an eine vom Gleichrichter bereitgestellte Spannung angepasst wird. Der Zustand eines Energiespeichers kann dabei bspw. durch seinen Ladezustand, und/oder durch die zu ihm geflossene Ladung, und/oder durch seine Temperatur gebildet werden. Durch das Setzen der Klemmenspannung wird gleichzeitig der Ladestrom gesteuert.
Das intelligente Batteriepack kann durch eine jeweilige seriell-parallele Verschaltung seiner Batteriemodule untereinander eine Klemmenspannung zwischen 0 V (kein Batteriemodul zugeschaltet) und einer Maximalspannung (alle Batteriemodule in Reihe geschaltet) aktiv einstellen. Auch jenseits der sich aus einer seriellen oder parallelen Verschaltung oder möglicher Kombinationen daraus ergebenden Klemmenspannung, lässt sich durch hochfrequentes Umschalten oder Zu- und Abschalten einzelner Batteriemodule ein sich im zeitlichen Mittel ergebender beliebiger Wert von 0 V bis zur Maximalspannung einstellen. Die Einstellung wird von einer Ladesteuerung ausgeführt, welche die seriell-parallele Verschaltung der Batteriemodule unter Berücksichtigung der Zustände der Energiespeicher dergestalt steuert, dass die Funktion einer Leistungsfaktorkorrektur ausgeführt wird und der diesbezüglich in konventionellen OBCs vorhandene Schaltkreis entfällt, wodurch die erfindungsgemäß vorgesehene Ladeschaltung einen geringeren Platzbedarf und geringere Produktionskosten als ein konventionelles OBC aufweist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass Anforderungen an eine Gleichspannungswelligkeit des an dem Batteriepack anliegenden Ladestroms in größeren Grenzen als bei einer konventionellen Batterie gefasst werden können. Eine Gleichspannungswelligkeit des vom Gleichrichter bereitgestellten Ladestroms kann bspw. durch hochfrequente Schwankungen (Ripple) des von der Ladesäule bereitgestellten Wechselstroms bedingt sein. Die das erfindungsgemäße Verfahren ausführende Ladesteuerung stellt dies durch Messvorrichtungen, die die Ladespannung bzw. den Ladestrom messen, fest und reagiert darauf durch fortgeführte Änderung der seriell-parallelen Verschaltung der Batteriemodule und der sich dadurch ändernden Klemmenspannung, um zu jedem Zeitpunkt optimale Ladebedingungen, wie bspw. eine geringere oder gleiche Klemmenspannung als die Ladespannung, bereitzustellen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unterdrückt das Filter einen durch einen Spannungsunterschied des Batteriepacks und der Ladesäule bewirkten Einschaltstrom. Der Spannungsunterschied kann bspw. durch einen sich ändernden Ladestrom einer ungesteuerten Ladesäule oder im Moment des Anschlusses der Ladeschaltung an die Ladesäule entstehen. Das Filter hat dabei auch die Aufgabe, elektromagnetische Interferenzen herauszufiltern.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die dynamische Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter eine Ladeleistung kontrolliert. Der Ladesteuerung liegen neben den Informationen über die Zustände der Energiespeicher zusätzlich die Werte einer Ladespannung und eines Ladestroms vor, womit die Ladesteuerung erfindungsgemäß die Leistungshalbleiterschalter des Batteriepacks so ansteuert, dass ein vorgegebener Wert einer aus dem Produkt Ladespannung und Ladestrom gebildeten Ladeleistung eingehalten wird.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mittels einer mit der Ladesäule verbundenen Phasenregelschleife Stoßströme vermieden. Ein Stoßstrom kann bspw. beim Anschluss des Kraftfahrzeugs an die Ladesäule entstehen. Die Phasenregelschleife ist seitens des Kraftfahrzeugs mit der Ladesteuerung verbunden, welche durch die dynamische Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter des Batteriepacks verhindert, dass die Klemmenspannung von einem Absolutwert der Ladespannung abweicht.
Ferner wird ein System zu einer Wechselstromladung eines mit einer Ladesäule verbundenen bzw. verbindbaren intelligenten Batteriepacks, das mindestens zwei Batteriemodule, die jeweilig mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter und mindestens einen Energiespeicher umfassen, beansprucht, wobei das System eine Ladeschaltung, die ein Filter und einen Gleichrichter, eine jedem Batteriemodul zugeordnete Messvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, einen fließenden Ladestrom zu messen, mindestens einen Temperatursensor im Batteriepack, eine Messvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, eine Ladespannung zu messen, und eine Messvorrichtung, die dazu konfiguriert ist, einen Ladestrom zu messen, umfasst, und wobei das System eine mit einem Computerprozessor und einem auf dem Computerprozessor laufenden Computerprogramm ausgestattete Ladesteuerung, die dazu konfiguriert ist, Leistungshalbleiterschalter anzusteuern, umfasst, wobei die Ladesteuerung dazu konfiguriert ist, aus dem mindestens einen Temperatursensor und den Messvorrichtungen Informationen über Zustände der Energiespeicher auszulesen. Durch die verbauten Sensoren, insbesondere dem mindestens eine Temperatursensor, und den Messvorrichtungen stehen dem Computerprozessor, bzw. dem auf diesem ablaufenden Computerprogramm und somit der Ladesteuerung die notwendigen Informationen zur Verfügung, um gemäß des Zustands eines jeweiligen Batteriemoduls das jeweilige Batteriemodul seriell oder parallel mit anderen Batteriemodulen zu verschalten und so ein voranstehend beschriebenes Verfahrens auszuführen. Dies begründet eine Intelligenz des Batteriepacks.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems umfasst der Gleichrichter der Ladeschaltung mindestens zwei Dioden. Bei einer Diode handelt es sich um ein passives elektrisches Bauelement, welches zwar kostengünstig ist, mit dem sich aber eine Gleichrichtung nicht sehr effizient umsetzen lässt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems umfasst der Gleichrichter der Ladeschaltung mindestens zwei Halbleiterschalter, z.B. Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate. Dabei kann es sich bspw. um ein sogenanntes MOSFET oder ein IGBT handeln, welche ein aktives elektrisches Bauelement darstellen. Damit wird eine Effizienz, aber auch eine Komplexität der Ladeschaltung erhöht.
In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems umfasst der Gleichrichter der Ladeschaltung eine Kombination aus Dioden und Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate, also aus passiven und aktiven elektrischen Bauelementen. Daraus lässt sich eine optimale Kombination hinsichtlich größter Effizienz bei kleinster Komplexität bilden. Vorteilhaft werden passive elektronische Bauelemente am Nullleiter eingesetzt, der bspw. während einer Ladung mit Einphasenstrom Verwendung findet.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems wird zusätzlich ein Schaltkreis zu einer galvanischen Trennung des Batteriepacks von dem Anschluss an die Ladesäule umfasst. Damit wird eine direkte elektrische Leitung zwischen einem Stromkreis der Ladesäule und einem Stromkreis des intelligenten Batteriepacks ausgeschlossen. Ein elektrisches Potential des jeweiligen Stromkreises ist vom jeweilig anderen getrennt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems umfasst das System eine Phasenregelschleife zur Ladesäule. Mittels der mit der Ladesäule verbunden Phasenregelschleife wird einem Stoßstrom, der bspw. beim Anschluss des Kraftfahrzeugs an die Ladesäule entstehen kann, entgegengewirkt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems wird von der Ladeschaltung ein Mehrphasengleichrichter umfasst. Damit kann das intelligente Batteriepack auch an Ladesäulen aufgeladen werden, die einen mehrphasigen Wechselstrom, bspw. Drehstrom, zur Verfügung stellen. In dem Mehrphasengleichrichter ist vorteilhaft für mehrere Phasen ein jeweiliger Schaltkreis, bestehend aus Dioden und/oder MOSFETs bzw. IGBTs, vorhanden, wodurch zusammen mit dem Nullleiter eine ausreichende Komplexität besteht, um jede Anzahl von der Ladesäule zur Verfügung gestellter Phasen anzuschließen.
Schließlich wird in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems der Gleichrichter der Ladeschaltung nach Beendigung der Aufladung zu einer Erzeugung eines Wechselstroms aus dem von dem intelligenten Batteriepack bereitgestellten Gleichstrom zu einem Betrieb eines Elektromotors genutzt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.

1 zeigt in schematischer Darstellung gemäß dem Stand der Technik einen Lader zu einer Wechselstromladung einer Batterie.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen Ladeschaltung eines Batteriepacks an eine Ladesäule.
3 zeigt in schematischer Darstellung Schaltbilder zu mehreren Gleichrichtern aus einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen Ladeschaltung.
4 zeigt in schematischer Darstellung Schaltbilder zu mehreren Filtern aus einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen Ladeschaltung.
5 zeigt in schematischer Darstellung Spannungsverläufe an verschiedenen elektronischen Bauteilen einer noch weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgesehenen Ladeschaltung.
6 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aufbaus zu einer Ladung eines intelligenten Batteriepacks an einer Ladesäule.

In 1 wird in schematischer Darstellung gemäß dem Stand der Technik ein Lader 100 oder auch OBC, abgekürzt für on-board charger, zu einer Wechselstromladung einer Batterie gezeigt. Der Lader 100 wird mit dem Nullleiter 101, d.h. Erdpotential, und einer ersten Phase 105 und, stellvertretend für weitere Phasen, mit der Phase 103 an eine Ladesäule angeschlossen und stellt einem Klemmenanschluss einer Batterie über zwei Anschlüsse 107 und 109 einen Gleichstrom bereit. Ein nach dem Stand der Technik konventioneller Lader 100 besteht aus einem Filter 110 zum Herausfiltern elektromagnetischer Interferenzen (EMI), einem Gleichrichter 120, der bspw. über Dioden gleichrichtet, einer Leistungsfaktorkorrektur 130, gewöhnlich mit PFC bezeichnet, und einem Resonanzwandler 140, bspw. ein LLC-Resonanzwandler, der einen Stromkreis und ein Potential der Ladesäule von einem Stromkreis und einem Potential der Batterie galvanisch trennt. Am Eingang des Gleichrichters 120 liegen Erdpotential 122 und eine aus dem Filter 110 kommende erste Phase 126 und, optional für weitere Phasen stehend und daher gestrichelt dargestellt, eine ebenfalls aus dem Filter 110 kommende weitere Phase 124 an.
In 2 wird in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen Ladeschaltung 200 eines intelligenten Batteriepacks 240 an einer Ladesäule 230 gezeigt. Die Ladesäule 230 stellt ein Nullpotential 231, d.h. Erdpotential, und eine erste Phase 235 eines Wechselstroms, sowie mögliche weitere Phasen 233 zu einer Aufladung mit Wechselstrom bereit. Das intelligente Batteriepack 240 erwartet an seinem Klemmenanschluss 207, 209 eine Aufladung mit Gleichstrom. Der Gleichstrom wird durch die Ladeschaltung 200 zur Verfügung gestellt, welche am Eingang mit Erdpotential 201, einer ersten Phase 205, und möglicher weiterer Phasen 203 an die Ladesäule 230 angeschlossen wird. Die erfindungsgemäß vorgesehene Ladeschaltung 200 umfasst, falls auf eine galvanische Trennung der jeweiligen Stromkreise Ladesäule/Batteriepack verzichtet werden kann, lediglich ein Filter 210 und einen Gleichrichter 220. Durch die seriell-parallelen Verschaltungsmöglichkeiten kann das intelligente Batteriepack 240 über eine erfindungsgemäß vorgesehene Ladesteuerung seine Klemmenspannung der vom Gleichrichter 220 am Klemmenanschluss 207, 209 bereitgestellten Ladespannung anpassen, wodurch eine aus dem Stand der Technik in 1 benannte Leistungsfaktorkorrektor 130 entfällt bzw. entfallen kann.
3 zeigt in schematischer Darstellung Schaltbilder zu mehreren Gleichrichtern 310, 320, 330 aus einer Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen Ladeschaltung. Vom Filter kommend liegen am Eingang des jeweiligen Gleichrichters 310, 320, 330 Erdpotential, d.h. ein Nullleiter 221, eine erste Phase 225, und mögliche weitere Phasen 223 an. Am Ausgang liefern die jeweiligen Gleichrichter 310, 320, 330 eine Gleichspannung zum Klemmenanschluss 207, 209 des Batteriepacks. Der passive elektronische Bauteile verwendende Gleichrichter 310 ist mit aus jeweils zwei Dioden bestehenden Zweigen 311, 315 und, stellvertretend für weitere Zweige gestrichelt gezeichnet, mit einem Zweig 313 verwirklicht, die jeweils mit dem Nullleiter 221, einer ersten Phase 225, und weiteren Phasen 223 verbunden sind. Der aktive elektronische Bauteile verwendende Gleichrichter 320 ist mit aus jeweils zwei MOSFETs bzw. IGBTs bestehenden Zweigen 321, 325 und, stellvertretend für weitere Zweige gestrichelt gezeichnet, mit einem Zweig 323 verwirklicht, die jeweils mit dem Nullleiter 221, einer ersten Phase 225, und weiteren Phasen 223 verbunden sind. Der eine Kombination aus passiven und aktiven elektronischen Bauteilen verwendende Gleichrichter 330 ist mit einem aus zwei Dioden bestehenden Zweig 331, einem ersten aus zwei MOSFETs bzw. IGBTs bestehenden Zweig 335 und, stellvertretend für weitere aus jeweils zwei MOSFETs bzw. IGBTs bestehende Zweige gestrichelt gezeichnet, mit einem Zweig 333 verwirklicht, die jeweils mit dem Nullleiter 221, einer ersten Phase 225, und weiteren Phasen 223 verbunden sind.
4 zeigt in schematischer Darstellung Schaltbilder zu mehreren Filtern 410, 420, 430 aus einer Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen Ladeschaltung. Die Schaltbilder werden beispielhaft nur für einen einphasigen Wechselstrom dargestellt, ohne jedoch das erfindungsgemäße Verfahren auf einen einphasigen Wechselstrom zu beschränken. Vom Anschluss an die Ladesäule kommend liegen am Eingang eines jeweiligen Filters 410, 420, 430 der Nullleiter 201 und eine Phase 205 an. Am Ausgang zum Gleichrichter findet sich dementsprechend der Nullleiter 221 und die Phase 225. Mittels des Filters 410, das einen L-Filter darstellt, oder des Filters 420, das einen CLC-Filter darstellt, oder des Filters 430, das einen LCL-Filter darstellt, werden elektromagnetische Interferenzen aus einem Phasensignal herausgefiltert und mögliche Einschaltströme unterdrückt.
5 zeigt in schematischer Darstellung Spannungsverläufe an verschiedenen elektronischen Bauteilen einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeschaltung. Ein von der Ladesäule bereitgestellter Spannungsverlauf 516 wird in Graph 510 dargestellt. Nach rechts verläuft eine Zeitachse 502, nach oben eine Spannungswertachse 504, beide in willkürlichen Einheiten. Der gleiche Maßstab wird auch in Graph 520 verwendet, der eine Ausgabespannung 526 eines Gleichrichters zeigt, die nun nur noch positive Spannungswerte aufweist. Der Verlauf der Ausgabespannung 526 wird durch die dynamische Verschaltung des intelligenten Batteriepacks in Graph 530 nachgebildet, um optimale Ladebedingungen zu schaffen. Zur besseren Verdeutlichung ist hier die Zeitachse 532 und die Spannungswertachse 534 gegenüber den Graphen 510 und 520 vergrößerst dargestellt. Zwischen dem durch die Ausgabespannung des Gleichrichters vorgegebenen Verlauf 538 und der Klemmenspannung 536 des Batteriepacks entstehen zeitlich kurze Spannungsdifferenzen, die sich zeitlich herausmitteln.
In 6 wird in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aufbaus 600 zu einer Ladung eines intelligenten Batteriepacks 640 an einer Ladesäule 610 gezeigt. Ein Wechselstromanschluss 612 der Ladesäule 610 ist mit Nullleiter 602 und Phase 604 mit dem Filter 620 verbunden. Am Eingang zum Filter 620 befinden sich Messvorrichtungen, welche eine Spannung 606 messen. Je nach Stellung des Schalters im Filter 620 wird die Spannung des Wechselstromanschlusses 612 (Schalterstellung offen) oder die Ladespannung (Schalterstellung geschlossen) gemessen. Am Eingang zum Gleichrichter 630 befindet sich eine Messvorrichtung zum Messen des Ladestroms 608. Die Werte der Spannung 606 und des Ladestroms 608 liegen der Ladesteuerung 642 vor. Des Weiteren erhält die Ladesteuerung 642 Informationen 644 aus dem Batteriepack über Ladezustände und Temperatur der einzelnen Energiespeicher. Auf Grundlage all dieser Informationen steuert die Ladesteuerung 642 die Verschaltung der Batteriemodule im Batteriepack, d.h. die sich am Batteriepack ergebende Klemmenspannung, und damit die Aufladung 646 des Batteriepacks. Darüber hinaus wird hier eine Kommunikationsleitung 609 zwischen dem Wechselstromanschluss 612 der Ladesäule 610 und der Ladesteuerung 642 gezeigt, die bspw. durch eine Vehicle-to-Grid-Kommunikation realisiert sein kann. Diese ermöglicht eine Phasenregelschleife, mit der die Ladesteuerung 642 durch Änderung der Verschaltung im Batteriepack und dadurch bedingter Änderung der Klemmenspannung einem Stoßstrom, der bspw. bei einem Anschluss des Kraftfahrzeugs an die Ladesäule 610 entstehen kann, entgegenwirkt.

Claims

Verfahren zu einer Wechselstromladung (AC-Ladung) eines mit einer Ladesäule (230, 610) verbundenen intelligenten Batteriepacks (240, 640) mit mindestens zwei Batteriemodulen, die jeweilig mindestens einen Energiespeicher und mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter, welche das jeweilige Batteriemodul seriell oder parallel zu einem anderen Batteriemodul verschalten, umfassen, bei dem der Batteriepack (240, 640) über eine Ladeschaltung (200), die ein Filter (210, 410, 420, 430, 620) und einen Gleichrichter (220, 310, 320, 330, 630) umfasst, zur Aufladung mit von der Ladesäule (230, 610) bereitgestellten Wechselstrom (612) geschaltet wird und ein Zustand (644) jedes einzelnen Energiespeichers überwacht wird, wobei gemäß einer fortgeführten Auswertung der Zustände (644) der jeweiligen Energiespeicher durch eine dynamische Ansteuerung (646) der Leistungshalbleiterschalter eine Klemmenspannung des Batteriepacks an eine vom Gleichrichter (220, 310, 320, 330, 630) bereitgestellte Spannung angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Filter (210, 410, 420, 430, 620) einen durch einen Spannungsunterschied des Batteriepacks (240, 640) und der Ladesäule (230, 610) bewirkten Einschaltstrom unterdrückt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch die dynamische Ansteuerung (646) der Leistungshalbleiterschalter eine Ladeleistung kontrolliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mittels einer mit der Ladesäule (230, 610) verbundenen Phasenregelschleife (609) Stoßströme vermieden werden.
System zu einer Wechselstromladung eines mit einer Ladesäule (230, 610) verbundenen und/oder verbindbaren intelligenten Batteriepacks (240, 640), das mindestens zwei Batteriemodule, die jeweilig mindestens zwei Leistungshalbleiterschalter und mindestens einen Energiespeicher umfassen, eine Ladeschaltung (200), die ein Filter (210, 410, 420, 430, 620) und einen Gleichrichter (220, 310, 320, 330, 630) umfasst, eine jedem Batteriemodul zugeordnete Messvorrichtung zu einer Messung eines fließenden Ladestroms, mindestens einen Temperatursensor im Batteriepack, und eine jeweilige Messvorrichtung zur Messung einer Ladespannung (606) und eines Ladestroms (608) umfasst, und das eine mit einem Computerprozessor und einem auf dem Computerprozessor laufenden Computerprogramm ausgestattete Ladesteuerung (642) zu einer Ansteuerung (646) der Leistungshalbleiterschalter umfasst, wobei die Ladesteuerung (642) dazu konfiguriert ist, aus Sensoren und Messvorrichtungen Informationen (644) über Zustände der Energiespeicher auszulesen, und wobei das System dazu konfiguriert ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.
System nach Anspruch 5, bei dem der Gleichrichter (310) der Ladeschaltung (200) mindestens zwei Dioden (311, 313, 315) umfasst.
System nach Anspruch 5, bei dem der Gleichrichter (320) der Ladeschaltung (200) mindestens zwei Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (321, 323, 333) umfasst.
System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der Gleichrichter (330) eine Kombination aus Dioden (331) und Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate (333, 335) umfasst.
System nach einem der Ansprüche 5 bis 8, welches zusätzlich einen Schaltkreis zu einer galvanischen Trennung des Batteriepacks (240, 640) von einem Anschluss an die Ladesäule (230, 610) umfasst.
System nach einem der Ansprüche 5 bis 9, welches zusätzlich eine Phasenregelschleife (609) zur Ladesäule (230, 610) umfasst.
System nach einem der Ansprüche 5 bis 10, welches einen Mehrphasengleichrichter umfasst.
System nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei dem der Gleichrichter (220, 310, 320, 330, 630) der Ladeschaltung (200) dazu konfiguriert ist, nach Beendigung der Aufladung zu einer Erzeugung eines Wechselstroms aus dem von dem intelligenten Batteriepack (240, 640) bereitgestellten Gleichstrom zu einem Betrieb eines Elektromotors genutzt zu werden.